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11.03.2013
Folge 359

Fehlstellen ermöglichen Quantencomputer

Physiker der Universität Würzburg haben Siliziumkarbid-Kristalle so verändert, dass sie neue, überraschende Eigenschaften zeigen. Das macht sie interessant für den Bau leistungsfähiger Computer oder für die Datenübertragung.

Siliziumkarbid-Kristalle bestehen aus einem regelmäßigen Gitter, aufgebaut aus Silizium- und Kohlenstoff-Atomen. Die Halbleiter finden heutzutage vielfach in der Mikro- und Optoelektronik Verwendung. Den Physikern aus Würzburg und St. Petersburg ist es gelungen, Siliziumkarbid so zu manipulieren, dass sich das Material unter anderem für den Einsatz in neuartigen, extrem schnellen Quanten-Computern anbietet.

Die Forscher um Dr. Georgy Astakhov haben ein Siliziumatom aus dem Kristallgitter entfernt und somit eine Silizium-Fehlstelle erzeugt. Zur Überraschung der Forscher gibt diese Fehlstelle dem Material interessante Eigenschaften. Damit der Halbleiter Licht emittiert, wie zum Beispiel bei LED‘s, müssen seine Elektronen – bildlich gesprochen – auf ein höheres Energieniveau gebracht werden. Dies kann beispielsweise durch die Zufuhr von sehr energiereichem Licht erfolgen. Die Silizium-Fehlstelle sorgt nun dafür, dass zusätzliche Energieniveaus in der so genannten Bandlücke entstehen. In einem regulären, fehlerfreien Siliziumkarbid-Kristall muss das Elektron eine hohe Hürde mit nur einem Schritt überwinden. Dank der Fehlstelle bekommt es aber eine Leiter zur Verfügung gestellt. Mit ihr kann es die Hürde in zwei Schritten hochklettern, und dafür ist weniger Energie nötig. Diese Art von Siliziumkarbid strahlt nun kein ultraviolettes, sondern infrarotes Licht ab, wenn die Elektronen von dem hohen Energieniveau auf das niedrigere „zurückfallen“. Licht, das sich nach Aussage von Vladimir Dyakonov, Professor und Inhaber des Lehrstuhls für Experimentelle Physik VI, besser dafür eignet, Informationen in einer Glasfaser zu übertragen.


Eine Kombination aus Licht- und Radiowellen kann benutzt werden, um Information in Silizium-Fehlstellen zu speichern und auszulesen. (Grafik: Georgy Astakhov)

Besonders interessant ist das modifizierte Siliziumkarbid für eine weitere Anwendung – als Halbleiter und Speichermedium in neuartigen Quanten- Computern. Transistoren sind seit ihrer Erfindung von mehreren zehn Mikrometern auf ungefähr zehn Nanometer geschrumpft – also auf etwa ein Tausendstel ihrer anfänglichen Größe. Schreitet die Miniaturisierung in diesem Tempo fort, müssten Transistoren in einem Jahrzehnt aus einem einzelnen Atom bestehen. In dieser Größenordnung gelten dann allerdings andere physikalische Gesetze, nämlich die der Quantenmechanik.

Heutige Computer verarbeiten Informationen nach dem binären Prinzip 0 und 1: Strom fließt oder er fließt nicht. Ein Quantencomputer verarbeitet Informationen in Form von sogenannten Qubits. Basis dafür kann der Spin der Elektronen sein. Das ist – vereinfacht gesagt – deren Drehimpuls. Er kann in verschiedene Richtungen zeigen und deshalb viel mehr Information als ein klassisches Bit enthalten.

Auf diesem Forschungsgebiet haben zuletzt die Farbzentren in Diamant (http://www.cczwei.de/index.php?id=news&newsid=2217) große Aufmerksamkeit gewonnen, die ähnliche Defekte aufweisen das Siliziumkarbid. Ihre Qubits lassen sich gut ansprechen, verändern und auslesen – und das auch noch bei Raumtemperatur. Allerdings ist Diamant ein Material, dessen Herstellungstechnologie längst nicht so gut entwickelt ist wie für Silizium-Halbleiter.

Siliziumkarbid mit einer Fehlstelle bietet sich dafür nach Einschätzung der Würzburger Physiker an, denn das fehlende Atom hat ja auch zur Folge, dass in dem Kristallgitter ein Elektron fehlt. Das ist wiederum gleichbedeutend mit dem Spin, der im Quanten-Computer Informationsträger sein kann. Zudem ist die Technologie für Siliziumkarbid sehr gut entwickelt. Leuchtdioden, Transistoren, mikroelektromechanische Bauelemente oder Sensoren aus diesem Material sind bereits auf dem Markt.

Für ihre Experimente haben die Würzburger Physiker mit Forschern aus Sankt Petersburg zusammengearbeitet. Indem sie die Siliziumkristalle gleichzeitig mit Licht und Radiowellen „beschossen“, konnten sie die Spins gezielt manipulieren und so die Information speichern und bei Bedarf auslesen.

Überrascht hat die Wissenschaftler, dass sich die Silizium-Fehlstellen-Qubits in einem dicht gepackten Kristall fast wie Atome mit sehr definierten, äußerst scharfen optischen Resonanzen verhalten.

Spin-Quanten-Computer müssen Informationen nicht nur verarbeiten, sondern auch über einen möglichst langen Zeitraum hinweg speichern können. Das ist momentan noch ein Problem, da die Streufelder benachbarter Atomkerne die an Fehlstellen gespeicherte Information mit der Zeit löschen. Die Forscher planen deshalb, in einem nächsten Schritt Siliziumkarbid-Kristalle herzustellen, die aus einem Silizium-Isotop ohne magnetisches Moment aufgebaut sind. Sie wissen, dass von Silizium- und Kohlenstoffatomen auch spin-freie Isotope existieren. Ein Siliziumkarbid-Kristall, aufgebaut nur aus solchen Isotopen, sollte deshalb in der Lage sein, die Information sehr lange zu behalten.

Ihre Ergebnisse haben die Forscher Ende 2012 in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht.


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